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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Ultraschallwandler für verschiedene Einsatzgebiete bekannt. So werden Ultraschallwandler beispielsweise in fluiden Medien wie beispielsweise Gasen und/oder Flüssigkeiten eingesetzt, um einen Füllstand und/oder eine Strömungseigenschaft, beispielsweise einen Massen- oder Volumenstrom oder eine Geschwindigkeit, des fluiden Mediums zu messen. Insbesondere kommen derartige Ultraschallwandler im Ansaug- und/oder Abgastrakt von Verbrennungsmotoren zum Einsatz. Alternativ oder zusätzlich können Ultraschallwandler auch beispielsweise als Abstandssensoren in Luft oder anderen Gasen oder Flüssigkeiten eingesetzt werden. Beispiele von Ultraschallwandlern, welche auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß modifiziert werden können, sind in
DE 203 02 582 U1 ,
EP 0 766 071 A1 oder in
DE 10 2007 010 500 A1 beschrieben. Ultraschallwandler weisen in der Regel mindestens ein elektrisch-akustisches Wandlerelement auf, beispielsweise ein piezoelektrisches Wandlerelement, welches eingerichtet ist, um elektrische Signale in Ultraschallsignale umzuwandeln oder umgekehrt. So sind aus dem Stand der Technik Ultraschallwandler auf der Basis einer Piezokeramik bekannt, welche zusätzlich mindestens eine Impedanzanpassschicht umfassen können, beispielsweise eine λ/4-Impedanzanpassschicht, wobei das elektrisch-akustische Wandlerelement und die optionale mindestens eine Impedanzanpassschicht einen Wandlerkern bilden. Dieser Wandlerkern kann in ein Gehäuse, beispielsweise eine Gehäusehülse, eingebracht werden. Das Gehäuse weist üblicherweise hin zum fluiden Medium mindestens eine Öffnung auf, die auch als Abstrahlöffnung bezeichnet werden kann. Um das Innere des Gehäuses, in welchem üblicherweise der Wandlerkern aufgenommen ist, gegenüber dem fluiden Medium abzudichten, ist grundsätzlich bekannt, eine Abdichtfolie auf diese Öffnung aufzubringen. So beschreiben beispielsweise die nachveröffentlichten
DE 10 2008 055 126.0 ,
DE 10 2008 055 116.3 ,
DE 10 2009 046 149.3 ,
DE 10 2009 046 146.9 und
DE 10 2009 046 147.7 derartige Ultraschallwandler, bei welchen eine Abstrahlöffnung eines Gehäuses durch eine Abdichtfolie verschlossen ist. Da die Abdichtfolie selbst eine wesentliche Schnittstelle der Verbindung zwischen dem Wandlerkern und dem fluiden Medium darstellt, deren Qualität eine entscheidende Bedeutung für die Abstrahlcharakteristik des Ultraschallwandlers aufweist, besteht nach wie vor ein Bedarf für eine prozesssichere Verbindung einer Abdichtfolie auf einem Ultraschallwandlergehäuse, insbesondere zum Zweck einer Ultraschallluftmassenmessung in Verbrennungsmotoren, jedoch auch für andere Anwendungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers zum Einsatz in einem fluiden Medium, insbesondere einem Gas und/oder in einer Flüssigkeit, vorgeschlagen, sowie ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbarer Ultraschallwandler. Der Ultraschallwandler umfasst mindestens ein Gehäuse und mindestens einen zumindest teilweise in dem Gehäuse aufgenommenen Wandlerkern. Unter einem Gehäuse ist dabei ein Gebilde zu verstehen, welches mindestens einen zumindest teilweise geschlossenen oder auch möglicherweise teilweise geöffneten Innenraum aufweist, beispielsweise einen Hohlraum. Das Gehäuse kann beispielsweise hülsenförmig ausgestaltet sein, insbesondere zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch. Alternativ oder zusätzlich kann das Gehäuse beispielsweise als Rahmen, als Ring oder als Topf ausgestaltet sein, oder einen Rahmen, ein Ring oder einen Topf umfassen. Das Gehäuse kann insbesondere die Aufgabe realisieren, den im Innenraum des Gehäuses aufgenommenen Komponenten des Ultraschallwandlers einen Schutz gegenüber mechanischen und/oder chemischen Einflüssen zu bieten. Das Gehäuse kann beispielsweise aus einem Kunststoff und/oder einem metallischen Material hergestellt sein. Auch Keramikgehäuse sind jedoch grundsätzlich realisierbar.
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Der Wandlerkern umfasst mindestens ein akustisch-elektrisches Wandlerelement. Unter einem akustisch-elektrischen Wandlerelement ist dabei ein Element zu verstehen, welches eingerichtet ist, um akustische Signale, beispielsweise Ultraschallsignale, in elektrische Signale umzuwandeln und/oder umgekehrt. Insbesondere kann es sich bei dem akustisch-elektrischen Wandlerelement um mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement handeln, beispielsweise eine Piezokeramik, vorzugsweise mit zwei oder mehr Elektroden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich denkbar. Weiterhin kann der Wandlerkern mindestens einen Impedanzanpasskörper, beispielsweise mindestens eine Impedanzanpassschicht, umfassen, beispielsweise eine Impedanzanpassschicht wie in dem oben genannten Stand der Technik beschrieben. Diese Impedanzanpassschicht weist vorzugsweise eine akustische Impedanz auf, welche zwischen derjenigen des akustisch-elektrischen Wandlerelements und derjenigen des fluiden Mediums liegt, idealerweise beim geometrischen Mittel dieser akustischen Impedanzen. Darüber hinaus können weitere Elemente in dem Wandlerkern vorgesehen sein, beispielsweise eine oder mehrere thermische Anpassschichten, welche beispielsweise eingerichtet sind, um einen Ausdehnungskoeffizienten des akustisch elektrischen Wandlerelements an einen Ausdehnungskoeffizienten einer Impedanzanpassschicht oder allgemein eines Impedanzanpasskörpers anzupassen. Auch derartige Aufbauten sind bekannt. Somit kann der Wandlerkern beispielsweise einen mehrteiligen Aufbau aufweisen, mit dem akustisch-elektrischen Wandlerelement und, auf dessen dem fluiden Medium zuweisenden Seite, dem optionalen Impedanzanpasskörper sowie, weiterhin optional, zwischen dem Impedanzanpasskörper und dem akustisch-elektrischen Wandlerelement mindestens einen thermischen Anpasskörper. Beispiele werden unten noch näher erläutert.
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Das Gehäuse weist mindestens eine dem fluiden Medium zuweisende Öffnung auf. Diese Öffnung kann auch als Abstrahlöffnung bezeichnet werden. Beispielsweise kann diese Öffnung von einem Rand des Gehäuses umgeben sein. Die Öffnung kann vorzugsweise einen runden Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt, wobei jedoch auch andere Querschnittsgeometrien denkbar sind, beispielsweise polygonale Querschnitte oder andere, nicht-runde Querschnitte. Der Wandlerkern kann beispielsweise eine Abstrahlfläche aufweisen, über welche Ultraschallsignale von dem Wandlerkern an das fluide Medium abgegeben werden können bzw. über welche Ultraschallsignale aus dem fluiden Medium von dem Wandlerkern aufgenommen werden können. Diese Abstrahlfläche kann beispielsweise in einer Ebene mit dem Rand des Gehäuses angeordnet sein. Alternativ kann der Wandlerkern jedoch auch grundsätzlich geringfügig über die Ebene des Gehäuserandes in das fluide Medium vorstehen oder gegenüber dem Rand des Gehäuses ins Innere des Gehäuses zurückversetzt sein, so dass die Abstrahlfläche und der Rand des Gehäuses nicht notwendigerweise, jedoch vorzugsweise, in einer Ebene angeordnet sind.
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Bei dem Verfahren wird die Öffnung zumindest teilweise durch eine Abdichtfolie verschlossen. Dabei wird vorgeschlagen, das Verfahren derart durchzuführen, dass die mindestens eine Abdichtfolie gespannt wird und in gespanntem Zustand derart mit dem Gehäuse verbunden wird, dass die Abdichtfolie die Öffnung zumindest teilweise verschließt. Das Spannen der Abdichtfolie kann grundsätzlich vor oder während dem Verschließen der Öffnung erfolgen. Vorzugsweise kann der gespannte Zustand der Abdichtfolie auch nach der Verbindung mit dem Gehäuse aufrechterhalten bleiben, wobei jedoch auch während oder nach dem Verbinden ein Entspannen der Folie erfolgen kann.
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Unter einer Abdichtfolie ist dabei allgemein ein folienförmiges Element zu verstehen, also ein Element, dessen Dicke erheblich geringer ausgestaltet ist als seine lateralen Abmessungen, beispielsweise um mindestens einen Faktor 10, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 100, insbesondere mindestens einen Faktor 1000 oder sogar 10000. Die Abdichtfolie weist vorzugsweise abdichtende Eigenschaften auf und gewährleistet, beispielsweise in Kombination mit anderen Bestandteilen eines optionalen Dichtelements, eine zumindest teilweise Abdichtung eines Innenraums des Gehäuses, in welchem der Wandlerkern zumindest teilweise aufgenommen ist, gegenüber dem fluiden Medium. Beispielsweise kann die Abdichtfolie eine Dicke von weniger 200 μm aufweisen. Besonders bevorzugt sind Dicken der Abdichtfolie von weniger als 100 μm, insbesondere Dicken von unter 50 μm und besonders bevorzugt vorteilhaft von unter 25 μm, um einerseits eine gute Kopplung zwischen dem Wandlerkern und dem fluiden Medium zu gewährleisten und um andererseits einen möglichst geringen Körperschallübertrag zwischen dem Wandlerelement und dem Gehäuse zu bewirken.
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Unter einem Spannen der Abdichtfolie wird eine mechanische Einwirkung auf die Abdichtfolie verstanden, bei welcher die Abdichtfolie in zumindest einer Richtung parallel zur lateralen Ausdehnung der Abdichtfolie mit einer Kraft, vorzugsweise einer Zugkraft, beaufschlagt wird. Dabei kann insbesondere eine Dehnung der Abdichtfolie in mindestens einer Richtung parallel zur lateralen Erstreckung der Abdichtfolie bewirkt werden, beispielsweise eine elastische und/oder eine plastische Streckung. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Spannung der Abdichtfolie in mindestens zwei Richtungen parallel zur lateralen Erstreckung der Abdichtfolie erzeugt wird, vorzugsweise in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen.
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Die Verbindung der Abdichtfolie mit dem Gehäuse kann insbesondere an einem Gehäuserand erfolgen. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen umlaufenden Gehäuserand handeln, auf welchen die Abdichtfolie zumindest teilweise aufgebracht wird, so dass die Abdichtfolie die Öffnung zumindest teilweise verschließt, vorzugsweise vollständig. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen ebenen Rand handeln. Die Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Abdichtfolie kann grundsätzlich kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig erfolgen. Weiterhin kann die Abdichtfolie auch mit einer Abstrahlfläche des Wandlerkerns verbunden werden.
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Die Abdichtfolie kann grundsätzlich aus mindestens einem beliebigen Folienmaterial hergestellt sein, beispielsweise einem metallischen Material, einem Kunststoffmaterial oder auch einem mehrschichtigen Material oder Kombinationen der genannten und/oder anderer Materialien. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Abdichtfolie mindestens ein thermoplastisches Kunststoffmaterial umfasst oder vollständig aus einem derartigen thermoplastischen Kunststoffmaterial besteht. Das Gehäuse und die Abdichtfolie können allgemein mindestens ein gleiches Material aufweisen oder zumindest teilweise aus mindestens einem gleichen Material bestehen. Besonders bevorzugt ist es, wenn sowohl die Abdichtfolie als auch das Gehäuse zumindest im Bereich des Gehäuserands aus demselben Material hergestellt sind. Insbesondere kann es sich dabei um ein thermoplastisches Kunststoffmaterial handeln.
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Als thermoplastische Kunststoffmaterialien für die Abdichtfolie und vorzugsweise auch für das Gehäuse, zumindest im Bereich des Gehäuserands und/oder der Öffnung, kommen insbesondere eines oder mehrere der folgenden thermoplastischen Kunststoffmaterialien in Betracht: Polymethylmethacrylat (PMMA); Polyvinylfluorid (PVF, beispielsweise ”Tedlar® ES”); Polyetherketone, insbesondere Polyetheretherketone (PEEK); Polyamidimid (PAI); Flüssigkristallpolymere (liquid crystal polymer, LCP, beispielsweise ”Vectra® LCP” der Firma Ticona); Polyethersulfon (PES); Polysulfon (PSU); Polyphenylensulfid (PPS). Auch eine Kombination der genannten Materialien und/oder anderer Materialien ist denkbar. Die Abdichtfolie kann darüber hinaus weitere Werkstoffe enthalten, beispielsweise als Beschichtung und/oder im Rahmen eines Laminataufbaus. Auch andere Werkstoffe sind grundsätzlich einsetzbar.
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Die Abdichtfolie kann insbesondere durch ein thermisches Verbindungsverfahren, vorzugsweise durch eine Einwirkung von Temperatur und Druck, mit dem Gehäuse und vorzugsweise auch mit dem Wandlerkern verbunden werden. Die Verbindung mit dem Gehäuse und optional mit dem Wandlerkern kann dabei vorzugsweise gleichzeitig erfolgen, beispielsweise in einem Arbeitsschritt und/oder mittels eines Werkzeugs. Beispielsweise kann eine Temperatureinwirkung bei dem thermischen Verbindungsverfahren durch Erhitzung über ein Werkzeug und/oder durch Ultraschalleinstrahlung und/oder durch Lasereinstrahlung und/oder durch Infraroteinstrahlung erfolgen. Allgemein kann bei der Verbindung zwischen Abdichtfolie und Gehäuse und/oder Wandlerkern insbesondere ein Verbindungsverfahren verwendet werden, ausgewählt aus: einem Heißpressverfahren; einem Heißprägeverfahren; einem Ultraschallschweißverfahren; einem Laserschweißverfahren. Auch eine Kombination der genannten Verfahren und/oder anderer Verfahren ist jedoch grundsätzlich einsetzbar. Die Verbindung zwischen der Abdichtfolie und dem Gehäuse und vorzugsweise auch mit dem Wandlerkern kann insbesondere Klebstoff-frei erfolgen. Eine Versiegelung eines Rands und/oder eines Spalts am Rand der Abdichtfolie zwischen dem Gehäuse und der Abdichtfolie kann dabei zwar grundsätzlich erfolgen, entfällt jedoch vorzugsweise.
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Das Spannen der Abdichtfolie kann insbesondere mittels mindestens eines Spannrahmens erfolgen, also unter Verwendung eines Spannrahmens und optional eines oder mehrerer zusätzlicher Elemente. Unter einem Spannrahmen ist dabei ein zumindest teilweise rahmenförmig ausgestaltetes Spannwerkzeug zu verstehen, welches vorzugsweise umlaufend ausgestaltet ist, welches jedoch auch als unterbrochener Rahmen ausgestaltet sein kann. Beispielsweise kann der Spannrahmen mindestens eine erste Rahmenkomponente und mindestens eine zweite Rahmenkomponente aufweisen, wobei die Abdichtfolie oder eine Abdichtfolienbahn in die geöffneten Spannrahmenteile eingebracht wird. Das Einbringen und Einspannen in den Spannrahmen kann dabei grundsätzlich in einem ungespannten Zustand der Abdichtfolienbahn oder auch in einem bereits in mindestens einer Dimension vorgespannten Zustand erfolgen. Die Spannrahmenteile können dann zusammengepresst werden, um die Abdichtfolienbahn einzuspannen bzw. zu fixieren. Der gespannte Zustand kann dann innerhalb des Spannrahmend erzeugt oder verstärkt werden, indem zusätzliche Kräfte auf die Abdichtfolienbahn ausgeübt werden, beispielsweise durch eine Kraftausübung senkrecht zur lateralen Erstreckung der Abdichtfolienbahn in dem Spannrahmen. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass das Gehäuse bzw. der Gehäuserand und/oder der Wandlerkern auf die Abdichtfolienbahn aufgepresst und/oder in diese eingedrückt werden oder umgekehrt. Da die Abdichtfolienbahn an dem Spannrahmen fixiert ist, führt dieses Eindrücken zu einer Erzeugung eines gespannten Zustands oder, falls bereits eine Vorspannung besteht, zu einer Verstärkung des gespannten Zustands der Abdichtfolienbahn.
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Unter einer Abdichtfolienbahn ist dabei eine Folienbahn des Abdichtfolienmaterials zu verstehen, welche lateral eine größere Abmessung aufweist als die eigentliche, im fertigen Zustand des Ultraschallwandlers die Öffnung verschließende Abdichtfolie. Im Folgenden wird jedoch zwischen der Abdichtfolienbahn und der Abdichtfolie begrifflich nicht weiter unterschieden. Beispielsweise kann die Abdichtfolienbahn in mindestens einer lateralen Dimension größere Abmessungen aufweisen als die spätere Abdichtfolie. Die Abdichtfolie kann beispielsweise, entsprechend dem Querschnitt der Öffnung des Gehäuses, einen runden und/oder polygonalen Querschnitt aufweisen. Die Abdichtfolie kann während und/oder nach dem Verbinden mit dem Gehäuse und vorzugsweise auch während und/oder nach dem Verbinden mit dem Wandlerkern aus einer in dem Spannrahmen verbleibenden Abdichtfolienbahn getrennt werden. Die verbleibende Abdichtfolienbahn stellt somit den Verschnitt dar, aus welchem die eigentliche Abdichtfolie herausgetrennt werden kann, was während und/oder nach dem Verbinden mit dem Gehäuse und vorzugsweise auch dem Wandlerkern erfolgen kann. Dabei kann gleichzeitig ein Verbinden der Abdichtfolie mit mehreren Gehäusen erfolgen, wobei gleichzeitig aus der in dem Spannrahmen eingespannten Abdichtfolienbahn mehrere Abdichtfolien für mehrere Ultraschallwandler erzeugt werden. Das Trennen der Abdichtfolie von der Abdichtfolienbahn kann insbesondere mittels eines Trennverfahrens erfolgen, welches ausgewählt sein kann aus: einem Stanzverfahren; einem Prägeverfahren; einem Schneideverfahren, insbesondere einem Laserschneideverfahren. Auch andere Trennverfahren und/oder Kombinationen der genannten und/oder anderer Trennverfahren sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
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Die Abdichtfolie kann insbesondere mittels mindestens eines Werkzeugs gegen das Gehäuse und vorzugsweise auch gegen den Wandlerkern gepresst werden. Dies bedeutet, dass entweder die Folie in Richtung des Gehäuses mit einer Kraft beaufschlagt wird und/oder dass das Gehäuse in Richtung der Abdichtfolie mit einer Kraft beaufschlagt wird, so dass ein enger physikalischer Kontakt zwischen diesen Elementen hergestellt wird. Wie oben beschrieben, kann diese Kraftbeaufschlagung auch dazu genutzt werden, dass der gespannte Zustand hergestellt wird und/oder verstärkt wird. Das Werkzeug kann vorzugsweise gleichzeitig eingerichtet sein, um während und/oder nach dem Verbinden mit dem Gehäuse eine Trennung der Abdichtfolie von der in dem Spannrahmen verbleibenden Abdichtfolienbahn zu bewirken. Zu diesem Zweck kann das Werkzeug beispielsweise eine entsprechende Konturierung und/oder eine entsprechende Schneidkante aufweisen. Beispielsweise kann das Werkzeug einen oder mehrere Vorsprünge umfassen, mittels derer ein Trennvorgang bewerkstelligt wird. Gleichzeitig kann das Werkzeug auch eingerichtet sein, um eine Wärme auf die Abdichtfolie und/oder das Gehäuse zu übertragen. So kann das Werkzeug beispielsweise als Heißprägewerkzeug ausgestaltet sein. Das Werkzeug kann insbesondere mindestens zweiteilig ausgestaltet sein und mindestens einen ersten Werkzeugteil und mindestens einen zweiten Werkzeugteil umfassen. Dabei kann der mindestens eine Werkzeugteil eingerichtet sein, um das Gehäuse und/oder den Wandlerkern zu fixieren, und der mindestens eine zweite Werkzeugteil kann eingerichtet sein, um die Abdichtfolie gegen das Gehäuse und vorzugsweise gegen den Wandlerkern zu pressen. Wie oben beschrieben, kann das Pressen dabei aus Richtung des Gehäuses und/oder auch aus Richtung der Abdichtfolie erfolgen.
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Neben dem oben beschriebenen Verfahren in einer oder mehreren der oben beschriebenen Verfahrensvarianten wird weiterhin ein Ultraschallwandler zum Einsatz in einem fluiden Medium vorgeschlagen, welcher nach einem Verfahren gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen herstellbar ist. Der Ultraschallwandler ist dabei derart ausgestaltet, dass die Abdichtfolie gespannt ist. Wie oben dargestellt, kann das Verfahren selbst jedoch auch grundsätzlich derart durchgeführt werden, dass die Abdichtfolie während und/oder nach dem Verbinden mit dem Gehäuse entspannt wird.
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Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens in einer oder mehreren der oben beschriebenen Varianten lässt sich eine kostengünstige und prozesssichere Verbindung der Abdichtfolie mit dem Ultraschallwandlergehäuse gewährleisten. Insbesondere lassen sich auf diese Weise Ultraschallwandler für den Einsatz zur Ultraschallluftmassenmessung in Verbrennungsmotoren realisieren. Auch andere Einsatzgebiete von Ultraschallwandlern sind jedoch auf diese Weise mit zuverlässigen Ultraschallwandlern zu versorgen, wie beispielsweise Abstandssensoren, Füllstandssensoren oder andere Einsatzgebiete innerhalb oder außerhalb der Automobiltechnik. Dabei lassen sich grundsätzlich bekannte Ultraschallwandler auf einfache Weise herstellen oder modifizieren. So kann der Ultraschallwandler beispielsweise eine Piezokeramik und einen Impedanzanpassungskörper und eine Abdichtfolie umfassen. Das Gehäuse kann insbesondere als Kunststoffträgerteil realisiert sein, beispielsweise als Rahmen, als Ring oder als Topf. Das Gehäuse kann grundsätzlich einstückig ausgestaltet sein, kann jedoch auch mehrteilig ausgebildet werden. So kann das Gehäuse beispielsweise über das eigentliche Gehäuseteil, welches mit der Abdichtfolie verbunden wird, weitere Elemente umfassen, beispielsweise Elemente, welche das Gehäuse rückseitig, also auf der dem fluiden Medium abgewandten Seite, ganz oder teilweise verschließen. Besonders bevorzugt sind das Gehäuse und die Abdichtfolie zumindest teilweise aus thermoplastischen Kunststoffen hergestellt, welche sich einfach verarbeiten lassen. Die Abdichtfolie kann auf dem Gehäuse und/oder einem Kunststoffträgerteil des Gehäuses befestigt werden, indem die Abdichtfolie, vorzugsweise ohne zusätzlichen Klebstoff, unter Temperatureinwirkung auf das Gehäuse gepresst wird, beispielsweise in Form eines Ultraschallschweißens, eines Heißpressens oder eines Laserschweißens. Derartige Verbindungstechniken sind grundsätzlich bekannt. Gegebenenfalls kann optional zusätzlich eine gleichartige Befestigung der Abdichtfolie auf dem Wandlerkern, insbesondere auf dem Impedanzanpassungskörper des Wandlerkerns, erfolgen.
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Durch die vorgeschlagenen Verbindungsprozesse kann auf eine Klebstoffkaschierung der Abdichtfolie verzichtet werden. Durch die bevorzugte lokale Temperatureinwirkung kann sich insbesondere die Abdichtfolie ausdehnen und weniger das Gehäuse, insbesondere das Kunststoffträgerteil des Gehäuses. Dadurch lässt sich die Abdichtfolie gespannt und ohne Wellung auftragen, was für eine Abstrahlcharakteristik des Ultraschallwandlers sehr vorteilhaft ist. Auf eine zusätzliche Randversiegelung der Abdichtfolie mit Klebstoff kann ebenfalls gegebenenfalls verzichtet werden, da die Verbindung, beispielsweise eine Schweißverbindung, zwischen der Abdichtfolie und dem Gehäuse, insbesondere bei Stoffgleichheit im Bereich der Verbindung, von sich aus mediendicht gestaltet werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 bis 4 einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Ultraschallwandlers;
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5A bis 5E eine Weiterverarbeitung eines nach 4 hergestellten Zwischenprodukts eines Ultraschallwandlers;
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6A bis 6D Verfahrensschritte zur Trennung der Abdichtfolie von einer Abdichtfolienbahn; und
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7A bis 7C zu den 6A bis 6D alternative Ausführungsbeispiele von Konturierungen eines Gehäuserands und eines zweiten Werkzeugteils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den 1 bis 4 sind Verfahrensschritte eines Herstellungsverfahrens zur Herstellung eines Ultraschallwandlers oder eines Zwischenprodukts eines Ultraschallwandlers schematisch in einer Schnittdarstellung gezeigt. Das Verfahren kann weitere Verfahrensschritte umfassen, so dass zwischen dem Zwischenprodukt und dem eigentlichen Ultraschallwandler nicht weiter unterschieden wird, so dass mit der Bezugsziffer 110 in den Figuren sowohl der Ultraschallwandler selbst als auch dessen Zwischenprodukte bezeichnet werden.
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Der Ultraschallwandler 110 weist allgemein ein Gehäuse 112 auf. Dieses Gehäuse 112 kann beispielsweise ein Gehäuseträgerteil 114 umfassen und kann einstückig oder auch mehrstückig ausgestaltet sein. In das Gehäuse 112 wird zu einem oder mehreren Zeitpunkten des Verfahrens, nicht notwendigerweise bereits zu den in den dargestellten Ausführungsbeispielen, mindestens ein Wandlerkern 116 eingebracht. Bei dem in den 1 bis 5E dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Wandlerkern 116 zunächst unvollständig und wird erst im Verfahrensschritt 5C durch ein elektrisch-akustisches Wandlerelement, beispielsweise ein Piezoelement, vervollständigt. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich, beispielsweise indem der Wandlerkern 116 bereits von Anfang an vollständig in dem Gehäuse 112 aufgenommen ist oder indem dieser auf andere Weise und/oder zu anderen Zeitpunkten und/oder in anderer Zusammensetzung in das Gehäuse 112 eingebracht wird. Insofern wird auch bezüglich des Wandlerkerns 116 zwischen dem eigentlichen Wandlerkern 116 und dessen Zwischenprodukten nicht begrifflich unterschieden. Der Wandlerkern 116 umfasst beispielsweise neben dem bereits erwähnten elektrisch-akustischen Wandlerelement 118 im fertigen Zustand des Ultraschallwandlers 110 einen Impedanzanpasskörper 120 zur Impedanzanpassung, mit einer dem fluiden Medium zuweisenden Abstrahlfläche 122, beispielsweise eine λ/4-Schicht, sowie optional mindestens ein thermisches Ausgleichselement 124 zum Ausgleich von thermischen Spannungen zwischen dem Impedanzanpasskörper 120 und dem elektrisch-akustischen Wandlerelement 118.
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Das Gehäuse 112 weist auf seiner im fertigen Zustand dem fluiden Medium zuweisenden Seite eine Öffnung 126 auf, welche beispielsweise in dem dargestellten Ausführungsbeispiel von einem Gehäuserand 128 umschlossen sein kann (siehe 1). Diese Öffnung 126 wird bei dem in den 1 bis 4 beschriebenen Verfahren durch eine Abdichtfolie 130 verschlossen, wobei die Abdichtfolie 130 mit dem Gehäuserand 128 und optional auch mit der Abstrahlfläche 122 des Wandlerkerns 116 durch ein Verbindungsverfahren verbunden wird. Die Abdichtfolie 130 ist dabei zunächst Teil einer Abdichtfolienbahn 132 und wird während und/oder nach dem Verbinden der Abdichtfolie 130 mit dem Gehäuse 112 aus dieser Abdichtfolienbahn 132 herausgetrennt (siehe 4).
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In 1 ist gezeigt, dass vorzugsweise die Abdichtfolie 130 zunächst zwischen einem Spannrahmen 134 hindurchgezogen wird, beispielsweise mittels zweier Rollen 136, 138. Beispielsweise kann die Rolle 138 als Gutwickel ausgestaltet sein, und die Rolle 136 als Schlechtwickel, insbesondere bei dem in 4 gezeigten Drehsinn der Rollen 136, 138. Nach dem Einbringen der Abdichtfolienbahn 132 in den Spannrahmen 134 wird der Spannrahmen 134, wie in 1 gezeigt, geschlossen. Weiterhin wird ein Werkzeug 140 verwendet, welches einen ersten Werkzeugteil 142 und einen zweiten Werkzeugteil 144 umfasst. Dabei dient in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erste Werkzeugteil 142 zu einer Fixierung des Gehäuses 112 und vorzugsweise auch des Wandlerkerns 116. Das Gehäuse 112 bzw. das Gehäuseträgerteil 114 und der Wandlerkern 116 bzw. der Impedanzanpasskörper 120 und optional das thermische Ausgleichselement 124 können eine Einkoppelbaugruppe bilden. Der erste Werkzeugteil 142 kann beispielsweise auf die Geometrie dieser Einkoppelbaugruppe angepasst sein und kann beispielsweise ganz oder teilweise als Greifer und/oder auf andere Weise ausgestaltet sein, um die Einkoppelbaugruppe und/oder Teile derselben zu greifen und/oder zu fixieren. Beispielsweise kann auch eine Vakuumhalterung vorgesehen sein, wie in den 1 bis 4 durch einen optionalen Vakuumkanal 146 angedeutet. Mittels des ersten Werkzeugteils 142 wird die Einkoppelbaugruppe auf die Abdichtfolienbahn 132 innerhalb des Spannrahmens 134 aufgesetzt. Vorzugsweise bestehen das Gehäuse 112 (zumindest im Bereich des Gehäuseträgerteils 114) und die Abdichtfolienbahn 132 aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial wie beispielsweise PMMA, PVF, PEEK, PAI, LCP, PES, PSU oder PPS. Die Abdichtfolienbahn 132 kann optional noch weitere Werkstoffe umfassen, beispielsweise als Beschichtung, und sollte je nach verwendetem Material dünner als ca. 200 μm sein, vorzugsweise dünner als 50 μm und besonders bevorzugt dünner als 25 μm.
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Der zweite Werkzeugteil 144 ist, wie in den 1 bis 4 zu erkennen, unterhalb der Abdichtfolienbahn 132 innerhalb des Spannrahmens 134 angeordnet, also auf der dem ersten Werkzeugteil 132 gegenüberliegenden Seite der Abdichtfolienbahn 132. In 2 ist ein Verfahrensschritt gezeigt, bei welchem das Gehäuse 112 bzw. die Einkoppelbaugruppe mittels des ersten Werkzeugteils 142, beispielsweise mittels des Greifers und/oder einer ersten Werkzeughälfte, nach unten gedrückt werden, also hin zum zweiten Werkzeugteil 144. Dadurch spannt sich die Folie und wird auf das zweite Werkzeugteil 144 gedrückt. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt, dass bei dem vorliegenden Beispiel des Verfahrens wie auch bei anderen Ausführungsbeispielen des vorgeschlagenen Verfahrens das Spannen der Abdichtfolie 130 vor, während oder nach dem Einbringen der Abdichtfolienbahn 132 in den Spannrahmen 134 erfolgen kann. Das Spannen kann dabei unabhängig von dem Aufpressen des Gehäuses 112 auf die Abdichtfolienbahn 132 erfolgen oder kann, alternativ oder zusätzlich, durch das Aufpressen des Gehäuses 112 bzw. des Gehäuserands 128 auf die Abdichtfolienbahn 132 erfolgen, beispielsweise innerhalb des Spannrahmens 134, welcher die Abdichtfolienbahn 132 fixieren kann. Der zweite Werkzeugteil 144 kann insbesondere beheizt ausgestaltet sein und kann als Untergrund wirken, um einen Gegendruck aufzubauen. Durch dieses Aneinanderpressen der Abdichtfolie 130 und des Gehäuserands 128 können sich die Abdichtfolie 130 und das Gehäuse 112 im Bereich des Gehäuserands 128 stoffschlüssig miteinander verbinden, so dass der Effekt eines Schweißverfahrens und/oder eines Heißprägeverfahrens entsteht.
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In einem in 3 dargestellten Verfahrensschritt wird die Abdichtfolie 130 aus der verbleibenden Abdichtfolienbahn 132 getrennt. In 3 ist dabei ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem das Trennen der Abdichtfolie 130 von der übrigen Abdichtfolienbahn 132 durch einen Laser 148 erfolgt. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Trennverfahren einsetzbar. Das Trennen kann beispielsweise auf dem Gehäuserand 128 oder, wie in 3 gezeigt, außerhalb des Gehäuserands 128 erfolgen, beispielsweise unmittelbar an einer äußeren Kante des Gehäuserands 128.
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In 4 ist schließlich dargestellt, wie das derart hergestellte Zwischenprodukt des Ultraschallwandlers 110, also die derart hergestellte Baugruppe, umfassend das Gehäuse 112 bzw. das Gehäuseträgerteil 114, die Einkoppelbaugruppe und die Abdichtfolie 130, aus dem Spannrahmen 134 herausgenommen wird, so dass die Abdichtfolienbahn 132 zur Herstellung des nächsten Ultraschallwandlers 110 weitergespult werden kann.
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Optional können jedoch auch innerhalb eines Spannrahmens 134 mehrere Ultraschallwandler 110 gleichzeitig hergestellt bzw. die Öffnungen 126 dieser Ultraschallwandler 110 gleichzeitig verschlossen werden.
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In den 5A bis 5E ist eine Weiterverarbeitung des gemäß 4 gewonnenen Zwischenprodukts des Ultraschallwandlers 110 dargestellt. 5A zeigt zunächst die nach dem Verfahrensschritt gemäß 4 gewonnene Baugruppe des Ultraschallwandlers 110. Zwischen dem Wandlerkern 116 bzw. der Einkoppelbaugruppe und dem Gehäuse 112 befindet sich vorzugsweise ein Spalt 150. Dieser Spalt 150 kann optional mit einem separaten Werkstoff gefüllt werden, wie in 5B dargestellt, welcher auch als Entkopplungswerkstoff 152 bezeichnet wird. Auch ein teilweises Verfüllen des Spalts 150 mit dem Entkopplungswerkstoff 152 ist möglich. Der Entkopplungswerkstoff 152 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, um den Wandlerkern 116 und/oder die Einkoppelbaugruppe für die weitere Handhabung zu stabilisieren und/oder um im späteren Ultraschallwandler 110 ein Entkopplungs- oder Ausgleichselement zur Verfügung zu stellen. Der Entkopplungswerkstoff 152 kann beispielsweise einen Schaumstoff und/oder ein Silikon umfassen und beispielsweise durch einen LSR-Spritzprozess (LSR: Liquid Silicone Rubber, Flüssigsilikonkautschuk) in einem geeigneten Werkzeug eingefüllt werden. Das Abtrennen der Abdichtfolie 130 von der Abdichtfolienbahn 132, beispielsweise mittels des Lasers 148 und/oder eines anderen Trennwerkzeugs, kann gegebenenfalls auch erst nach diesem Füllprozess, bei welchem der Entkopplungswerkstoff 152 in den Spalt 150 eingebracht wird, beispielsweise nach dem LSR-Prozess oder auch nach anderen Aufbauschritten erfolgen. In diesem Fall können die Wandlerteilbaustufen dann, beispielsweise nach dem Verfahrensschritt gemäß 2, zunächst im Nutzen auf der Abdichtfolienbahn 132 verbleiben. Verschiedene andere Ausgestaltungen sind möglich.
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In 5C ist ein Verfahrensschritt dargestellt, in welchem das elektrisch-akustische Wandlerelement 118, beispielsweise ein Piezo, in den Wandlerkern 116 eingebracht wird, beispielsweise indem dieses elektrisch-akustische Wandlerelement 118 auf das thermische Ausgleichselement 124 aufgeklebt wird. In 5D ist ein Verfahrensschritt gezeigt, bei welchem das elektrisch-akustische Wandlerelement 118 mit einer Kontaktierung 154 elektrisch kontaktiert wird, beispielsweise mittels entsprechender Kontaktdrähte. In 5E ist ein Verfahrensschritt dargestellt, bei welchem der verbleibende Innenraum des Gehäuses 112 vollständig oder teilweise mit einem dämpfenden und/oder entkoppelnden Verguss 156 ausgefüllt wird.
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Wie oben beschrieben, umfasst der Wandlerkern 116 vorzugsweise den Impedanzanpasskörper 120, also mindestens einen Werkstoff, der die akustische Kopplung zwischen dem elektrisch-akustischen Wandlerelement 118, beispielsweise dem Piezo, und dem fluiden Medium oder Messmedium begünstigt. Im Fall von gasförmigen Medien ist hier ein Material geringer Dichte vorteilhaft, beispielsweise ein geschäumter und/oder syntaktischer Kunststoff, wie beispielsweise ein Epoxidharz und Glashohlkugeln, poröses Polyimid oder PEEK. Die Einkoppelbaugruppe kann außerdem einen weiteren Bereich enthalten in Form des thermischen Ausgleichselements 124, welches eine andere Dichte aufweist. Dieser weitere Bereich kann beispielsweise genutzt werden, um die akustische Anpassung weiter zu verbessern und/oder um den Piezo bzw. das elektrisch-akustische Wandlerelement 118 vor thermisch bedingten Verspannungen zu schützen. Darüber hinaus kann der Wandlerkern 116 weitere Elemente umfassen. Der Entkopplungswerkstoff 152 oder allgemein ein Material innerhalb des Spalts 150 um die Einkoppelbaugruppe bzw. den Wandlerkern 116 herum kann auch entfallen oder beispielsweise ganz oder teilweise identisch mit dem Verguss 156 ausgestaltet werden.
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Die Verbindung zwischen der Abdichtfolie 130 und dem Gehäuse 112 und optional auch dem Wandlerkern 116 bzw. der Abstrahlfläche 122 kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch eine thermische Verbindung. Die für die Verbindung benötigte Wärme kann beispielsweise, alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines beheizten zweiten Werkzeugteils 144 bzw. einer beheizten Unterlage und/oder eines Stempels, auch durch Infrarot- und/oder Laserstrahlung und/oder durch Reibung und/oder Vibrationen erzeugt werden.
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In den 6A bis 6D sind Verfahrensschritte gezeigt, welche die Verfahrensschritte gemäß den 2 und 3 vollständig oder teilweise ersetzen können. So ist in diesen Figuren eine Verfahrensvariante gezeigt, bei welcher, zusätzlich zu einer Verbindung der Abdichtfolie 130 mit dem Gehäuse 112 bzw. einer Gehäusehülse, durch beispielsweise eine Verschweißung, das verwendete zweite Werkzeugteil 144, beispielsweise der verwendete Andruckstempel, eine oder mehrere zusätzliche Konturen 158 aufweist. Beispielsweise können diese Konturen 158 eine oder mehrere Vorsprünge und/oder eine oder mehrere Vertiefungen umfassen, beispielsweise in einer ansonsten ebenen Oberfläche des zweiten Werkzeugteils 144. Optional können auch in dem Gehäuserand 128 eine oder mehrere Vertiefungen und/oder Vorsprünge vorgesehen sein, oder derartige Gegenkonturen mit einem oder mehreren Vorsprüngen und/oder einer oder mehreren Vertiefungen können auch erst bei dem Aufpressen des zweiten Werkzeugteils 144 auf den Gehäuserand 128 entstehen. Auf diese Weise kann der zweite Werkzeugteil 144 beispielsweise ausgestaltet sein, um die Abdichtfolie 130 zumindest teilweise in das Gehäuse 112, in den Gehäuserand 128 und/oder in Gegenkonturen, beispielsweise in eine oder mehrere Vertiefungen, des Gehäuses 112 hineinzudrücken. Dies ist in 6A dargestellt. Hierdurch kann sich, zusätzlich zum Kraft- bzw. Stoffschluss, auch ein Formschluss ergeben, der die Verbindung zwischen der Abdichtfolie 130 und dem Gehäuse 112 weiter stabilisieren kann. Gleichzeitig kann die Abdichtfolie 130, welche in 6A noch Bestandteil der Abdichtfolienbahn 132 ist, beispielsweise an der tiefsten Stelle und/oder an anderen Stellen im Eindrückbereich in das Gehäuse 112 gezielt vorgeschädigt werden, so dass die Abdichtfolie 130 beispielsweise in diesem Bereich durch eine Laserstrahlung 148 (siehe 6B) und/oder durch ein anderes Trennverfahren leicht aufgetrennt werden kann, um die Abdichtfolie 130 aus der Abdichtfolienbahn 132 herauszutrennen und den Ultraschallwandler 110 zu vereinzeln. Die nach außen weisende Restfolie 160, also der verbleibende Rest der Abdichtfolienbahn 132, haftet nur noch über eine sehr kleine Fläche an dem Gehäuserand 128 und kann leicht von diesem abgerissen werden, so dass vorzugsweise keine Folienreste der Abdichtfolie 130 bzw. der Abdichtfolienbahn 132 mehr über das Gehäuse 112 bzw. den Gehäuserand 128 hinaus überstehen. Dies ist in 6C gezeigt, welche den Ultraschallwandler 110 nach dem Vereinzeln darstellt.
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Im Bedarfsfall kann eine Vertiefung 162 in dem Gehäuserand 128 und/oder eine andere Art von Gegenkontur zur Kontur 158 im Gehäuserand 128 auch vollständig oder teilweise mit einer Kleberaupe und/oder einem anderen Füllmaterial abgedeckt und/oder ausgefüllt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Rand der Abdichtfolie 130 versiegelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise auch das Laserschneiden durch einen Stanzvorgang ersetzt werden und/oder durch einen anderen Trennvorgang. Dieser kann beispielsweise entweder nach dem Heißpressen erfolgen oder auch gleichzeitig mit dem Heißpressen gemäß 6A, indem beispielsweise die in 6A angedeutete Kontur 158 in der beheizten Unterlage bzw. in dem zweiten Werkzeugteil 144 mit genügend kleinen Radien und/oder scharfkantig ausgeführt wird, beispielsweise indem die Kontur 158 entsprechend ausgestaltet wird, beispielsweise mittels einer oder mehreren scharfen Kanten. Die Abdichtfolie 130 kann beispielsweise auch in diesem oder in anderen Verfahren vor dem Verbindungsprozess beispielsweise durch ein Heißluftgebläse und/oder durch einen Infrarotstrahler vorgewärmt werden. Dasselbe gilt optional für die weiteren Fügepartner, also das Gehäuse 112 bzw. den Gehäuserand 128 und/oder den Wandlerkern 116, welche, alternativ oder zusätzlich, ebenfalls vorgewärmt werden können.
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Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines Spannrahmens 134 kann auch die Konturgebung des Gehäuserandes 128 und/oder des zweiten Werkzeugteils 144 ausgenutzt werden, um die Abdichtfolie 130 zu spannen, indem das Eindrücken in und/oder Herumziehen um die Konturen des Gehäuserandes 128 und/oder des zweiten Werkzeugteils 144 diese Spannung erhöht oder selbst erst erzeugt.
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Weitere Beispiele solcher Konturgebungen einer Kontur 158 in dem zweiten Werkzeugteil 144 und/oder einer Gegenkontur 164 des Gehäuserands sind in den 7A bis 7C dargestellt. Dabei zeigt 7A ein Ausführungsbeispiel, in welchem in dem Gehäuserand 128 als Gegenkontur 164 eine Vertiefung 162 vorgesehen ist, und, alternativ oder zusätzlich, als Kontur 158 in dem zweiten Werkzeugteil 144 eine Erhöhung 166. Damit kann dieses Ausführungsbeispiel grundsätzlich dem Beispiel in 6A entsprechen. Die Vertiefung 162 und/oder die Erhöhung 166 können grundsätzlich abgerundet ausgestaltet sein, wie beispielsweise in 6A, und/oder können jedoch auch polygonal, beispielsweise mit rechteckigem Querschnitt, ausgestaltet sein. Auch Mischformen sind möglich. Beispielsweise ist in dem in 7A gezeigten Beispiel die Vertiefung 162 rechteckig ausgestaltet, und die Erhöhung 166 abgerundet. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Die Verteilung korrespondierender Erhöhungen und Vertiefungen auf den Gehäuserand 128 und das zweite Werkzeugteil 144 kann auch auf andere Weise erfolgen als in 7A dargestellt. In 7B ist beispielsweise ein Beispiel aufgeführt, in welchem eine Erhöhung 166 in dem Gehäuserand 128 vorgesehen ist, und eine korrespondierende Vertiefung 162 in dem zweiten Werkzeugteil 144. Bezüglich der Formgebung der Vertiefung 162 bzw. der Erhöhung 166 gilt das oben bezüglich 7A Gesagte analog. Weiterhin kann die Konturierung des zweiten Werkzeugteils 144 und/oder des Gehäuserands 128 auch komplexer ausgestaltet werden. So können das zweite Werkzeugteil 144 und/oder der Gehäuserand 128 beispielsweise jeweils Kombinationen aus einer oder mehreren Erhöhungen 166 und/oder Vertiefungen 162 aufweisen und/oder eine oder mehrere Stufenkonturen. Ein derartiges Beispiel ist in 7C gezeigt. Hier umfasst das zweite Werkzeugteil 144 eine Vertiefungg 162. Der Gehäuserand 128 umfasst eine Stufenkontur, welche exemplarisch eine zu der Vertiefung 162 im zweiten Werkzeugteil 144 korrespondierende Erhöhung 166 und optional eine Vertiefung 162 umfasst. Verschiedene andere Ausgestaltungen sind ebenfalls möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 20302582 U1 [0001]
- EP 0766071 A1 [0001]
- DE 102007010500 A1 [0001]
- DE 102008055126 [0001]
- DE 102008055116 [0001]
- DE 102009046149 [0001]
- DE 102009046146 [0001]
- DE 102009046147 [0001]
